热处理对钛基复合材料组织和性能的影响

热处理对钛基复合材料组织和性能的影
响
摘要：目前，我国航天航空领域的迅速发展对于材料的应用和研究也进一步深入。

在这一背景下，钛基复合材料成为了研究重点，该材料凭借其较高的强度和耐腐蚀性，以及较低的密度备受青睐。

但铸态的钛基复合材料组织力学性能与切削性能并不太理想，复合材料的热处理则是改善其力学性能的主要方法，能够弥补钛基复合材料的性能缺陷。

对此本文便以5vol%（TiC+TiB）/Ti-6A1-4V为中心，分析热处理对于钛基复合材料组织性能带来的影响。

关键词：热处理；钛基复合材料；组织和性能
引言：针对钛基复合材料的研究从上个世纪70年代开始，之后美国航天飞机以及其他国家的发展计划使得钛基复合材料的发展迎来了十分广阔的空间和前景，成为了航天航空的理想材料之一。

钛基复合材料指的是在钛或钛合金基体加入增强体的复合型材料，能够将金属材料和增强体材料的性能优势完美融合，生成一种性能十分理想的材料。

1试验准备
钛基复合材料在航天航空行业的应用具有强大的潜力，制备方式的不同可以获得不同性能类型的钛基复合材料，如对增强体类型、含量、机体组织结构的调整能够达到不一样的效果，从而满足现代科技发展对于复合材料的性能要求。

在航空航天领域中，钛合金构件多种多样，多为精密铸造工艺生产，并且在完成铸造后，由于钛基复合材料晶粒较粗，所以力学性能往往不太理想，在实际应用上也存在限制。

所以本文便通过热熔法制备原位自生的（TiC+TiB）/Ti-6A1-4V钛基复合材料，利用热处理和相变控制针对钛基复合材料的组织与性能展开分析。

2试验方法
将5vol%（TiC+TiB）/Ti-6A1-4V铸态试样进行淬火热处理，铸态试样规格
统一为10×10×2mm，淬火温度保持在1080℃。

在试样升温达到淬火温度后继续
保持20min，之后可以取出，取出后即刻置于清水中冷却处理，清水温度为常规
室温下的冷水。

在完成淬火试验后，将试样置于不同温度条件下进行回火处理，
回火温度划分为400℃～900℃共6个回火温度区间，回火完成后再次保温20min，保温环节完成后进行空冷处理。

在热处理之后，还需要对试样进行抛光处理，利
用Merlin Compact场发射扫描电镜金相观察。

基体组织的硬度利用MH-5显微硬
度计进行检测，拉伸试验则选择万能力学试验机试验机完成检测[1]。

3结果与分析
3.1 试样XRD测试分析
经过X射线衍射仪检测后可以获得衍射图谱（如图1所示），经过物相分析
能够了解到，不管是淬火还是回火，两种处理手段下的两种试样成分中，主要构
成物仍然是Ti基体与增强体TiB、TiC。

而Ti的成分构成中， -Ti、 -Ti的
占比最大。

试样回火处理期间，回火温度的不断升高， -Ti与 -Ti的衍射峰
不断向右推移，这一现象能够表明，回火过程中，淬火固溶基体的C与B溶质原
子析出，因此会让晶格常数同步降低。

图1 衍射图谱
3.2 试样淬火组织分析
在淬火后，钛基复合材料基体中遍布了晶须状的TiB增强体，还有等轴状的TiC增强体，并且也产生了相互交叉的 -Ti相。

3.3 回火温度对于组织的影响
当钛基复合材料处于500℃的温度条件下时，回火过程中的相貌不会出现
太明显的变化，依然保持着回火之前的形貌状态，马氏体组织在500℃的温度条
件下仅仅出现晶格畸变现象，而不会产生回复效果。

而当回火温度达到600℃时，温度的不断提高，相形状也会从原本的细长变短变粗，从针状变为条状，在回
火温度600℃以上时，相形状除了相形状向着条形转变之外并没有其他明显变化。

3.4 试样硬度检测结果
在不同回火温度并且保温20min的状态下，钛基复合材料基体组织的硬度变
化呈一定趋势。

在回火温度持续升高的状态下，试样的硬度整体变化落差较大，处于400～500℃之间时，变化较为平和，在500～700℃区间中，硬度会随着回火温度的升
高而下降。

但随着温度的继续升高，试样硬度随着温度的升高而升高，相继出现
了正比和反比的关系变化。

钛基复合材料与马氏体回火分解变化特性十分吻合，
在初步回火环节时，钛基复合材料中的马氏体相仅有晶格畸变的回复，而马氏体
并没有分解，没有呈现出较为显著的变动，因此试样基体的硬度也没有明显变化。

之后温度的不断提升，马氏体逐渐分解并产生 -Ti板条，板条也越来越粗越来
越短，但基体的硬度却随着温度的升高而降低。

在温度达到700℃以上后，固溶
于基体的C、B弥散，析出TiB和TiC第二相，使得基体的硬度随温度的提高而
提高[2]。

3.5 拉伸试验
试样在淬火后，还需要进行回火抗拉强度（）与屈服强度（）试验。

钛基复合材料在温度处于1080℃时强度为最低，在回火持续进行期间，强度
为先提高后降低的趋势。

在700℃前，回火强度的提高多为第二相弥散析出影响，
但700℃之后，材料的屈服强度则随着温度的提升而下降，其中原因在于回火温
度导致 -Ti板条粗化，但钛基复合材料的抗拉强度并没有出现较为明显的变化。

在完成淬火后，试样的伸长率也会产生变化，具体如表1所示。

表1 回火温度影响下的试样力学性能
5007009001080温度
（℃）
伸长率
1.4 1.0 1.5 1.7
At（%）
在表1中，淬火温度处于700℃以下时，回火温度较低可能导致延伸率的降低，但若是淬火温度达到了700℃以上，那么高温回火则会提高材料的延伸率。

3.6 拉伸断口
回火温度和淬火试验的不同，试验之后试样也会产生不同的断口现象，拉伸
断口普遍存在着明显的脆性特征，并且断口表面还具有很多解理台阶，断口内部
有韧窝。

经分析，断裂情况多为解理断裂和韧窝断裂的综合型，解理断裂所占比
重较大。

[3]
4结论
在试样淬火后，试样的组织从相变为针状马氏体相，而试样回火过程中，回火温度持续升高下，淬火导致的晶格畸变会不断回复，而马氏体也会分解，马氏体形状转变为板条状，片状的也会逐渐变短变粗。

在回火温度不断提高的条件下，马氏体分解基体组织硬度会先下降再提高，
对于强度带来的影响则不一样，回火会提高试样强度，但回火温度提高下，屈服
强度却因为板条粗化逐渐降低，抗拉强度不受此影响。

热处理不会对钛基复合材料的断裂形式带来影响，始终为脆性断裂，而断面则以解理断裂为主。

参考文献：
[1]谢煌,黄赟,鲍雷,王冀恒.热处理对钛基复合材料组织和性能的影响[J].热加工工艺,2019,48(02):101-104.
[2]孙亮,董福宇,郑博文,张悦,古元军,袁晓光,黄宏军,左晓姣.热处理对IMI834钛基复合材料组织与性能的影响[J].热加工工艺,2018,47(06):146-150.
[3]蔡来强,游志勇,张拓,司耀强,张金山.热处理对SiC增强YL117复合材料组织和性能影响[J].太原理工大学学报,2018,49(01):9-14.。